最大化功率密度是车载充电器设计者的一个关键目标，封装和冷却机制在实现这一目标方面越来越重要。

作者：英飞凌科技Ralf Otremba、Rafael Garcia、Daniel Makus、Ulrich Froehler、Lisa Holzmann
 
最大化功率密度是电动汽车车载充电器（OBC）设计者的一个关键目标，因为更轻的充电器可以减轻汽车重量，从而有助于延长续航里程。效率是实现这一目标的方程式的一部分，在这方面，碳化硅（SiC）器件相对于硅（Si）器件的优势是众所周知的。器件封装和冷却是等式中第二个但不太为人所知的部分，在实现更高功率密度的OBC设计方面发挥着越来越重要的作用。
为了帮助设计人员从通孔技术过渡到表面贴装技术，英飞凌开发了双DPAK（DDPAK）和四（QDPAK）SiC器件，这些器件采用顶侧冷却（TSC）技术，可提供与通孔器件相当的热性能，但具有封装高度均匀的额外优势。本文概述了这些器件的热优势，然后探讨了这种创新封装技术未来潜在新可能性。它对封装内与封装内直接铜键合（DCB）器件的热性能进行了概念比较，并展示了芯片上引线框架封装如何使用扩散焊接进行管芯连接，其优点是比传统焊接更薄，并提供更优的热性能。

顶部冷却效果极佳
虽然像TO-247和TO-220这样的通孔器件（THD）封装在许多应用中仍然被广泛使用，但它们带来了制造成本高、需要在焊接到印刷电路板（PCB）下侧之前手动插入PCB的缺点。由于这些原因，THD越来越多地被表面贴装器件（SMD）所取代，SMD的放置可以自动化，从而带来更高的吞吐量和更好的可靠性。
SMD封装通过两种方式散热——底侧冷却（BSC）或顶侧冷却。虽然BSC和TSC封装都可以使用自动拾取和放置机械进行组装，但TSC比D2PAK和DPAK等BSC封装具有几个优点，D2PAK、DPAK将管芯产生的热量向下传导到板载器件的底部。这是因为PCB没有针对非常高的热传导进行优化，并为BSC器件创建了一个实质性的热障，这意味着需要额外的热通孔来允许多余的热量安全消散（图1a）。
这种方法的一个负面后果是，它使PCB迹线布线更具挑战性，因为电路板的大面积被交给了散热元件。绝缘金属基板（IMS）板（图1）可以提高BSC的热性能，但这些器件比传统的FR4 PCB更昂贵。


图1：底侧冷却（BSC）需要使用热通孔或IPS板进行散热

在TSC器件中，半导体管芯产生的热量被提取到封装的顶侧，该封装有一个暴露的焊盘，其上附着有冷板（散热器），如图2所示。


图2：采用顶侧冷却（TSC）的半导体器件
 
使用这种方法，热阻降低了35%，热路径与PCB上的电气连接解耦。这很重要，因为它使PCB设计更简单、更灵活，并带来了更小的电路板面积、更高的功率密度和减少电磁干扰（EMI）的额外好处。此外，由于热性能得到改善，不需要板堆叠，因此不需要将FR4和IMS板组合在一起，单个FR4就足以满足所有组件的需求，也需要更少的连接器。
这些功能减少了整体物料清单（BOM），最终降低了整体系统成本。除了改进的热和功率能力外，TSC技术还提供了优化的功率回路设计，以提高可靠性。这是可能的，因为驱动器可以放置在离电源开关非常近的地方。驱动器开关的低杂散电感降低了环路寄生，这意味着栅极上的振铃更少，性能更高，故障风险更低。
英飞凌为其许多功率器件开发了双（DDPAK）和四（QDPAK）SMD封装，包括其CoolSiC G6肖特基二极管系列、750 V和1200 V器件与650 V CoolMOS超结MOSFET配对的新型CoolSiC MOSFET系列。这些器件具有与THD器件相当的热性能，但具有卓越的电气性能。QDPAK和DDPAK SMD TSC封装的标准高度为2.3mm，具有高压和低压选项，这意味着可以使用高度相同的组件设计完整的应用，如车载充电器（OBC）和DC-DC转换器。与基于3D冷却系统的现有解决方案相比，这降低了冷却成本。

探索未来的可能性
通过使用Al2O3基板作为TSC隔离的直接铜键合（DCB），将产生当前TSC器件的另一个特征。如图3所示，该DCB可以在器件封装（封装中的DCB）内。这种方法的一个局限性是芯片互连的必要调整，需要厚度约为50μm的管芯附着。此外，热器件性能受到热DCB性能的限制。


图3：TSC隔离目前使用封装内DCB实现
 
英飞凌提出了一种创新的DCB-on-package TSC实施方案，其中半导体管芯保持直接连接到引线框架，可能提供多种热优势。
首先，将管芯直接连接到封装内的引线框提供了额外的散热能力。其次，在封装上连接DCB将消除芯片互连和再分配的适应性。最后，代替使用传统的焊接，扩散焊接可用于管芯附着，这将提供显著的优势，包括允许管芯附着材料的厚度从约50μm大幅减少到仅约1.2μm。


图4：在封装上使用DCB进行TSC隔离

扩散焊接在管芯连接中的优势
由于SiC的性能非常高，SiC管芯通常很小（通常只有几平方毫米）。使用传统焊料将如此小的管芯附着到封装上需要一个良好控制的过程，因为焊料滴的表面能会导致管芯倾斜，这种影响随后会阻碍引线键合过程。
这种复杂性可以通过使用扩散焊接来避免，因为焊料在与基板接触之前不会熔化。这种方法还允许在单个引线框上组装多个管芯，因为后续的加热步骤不会影响初始管芯的放置精度。这是因为焊料不会发生重熔，所以没有表面张力驱动的管芯位移。此外，该技术允许优化器件尺寸，因为焊料挤出较少，从而实现了更高的封装密度。如图5所示，由于扩散焊料的优异材料性能和键合线厚度的减小，减少器件中的焊料量显著提高了热传导。


图5：使用（a）传统焊料和（b）扩散焊料的管芯连接横截面。扩散焊接减少了接合线的厚度。在（a）中，焊料不均匀，导致管芯倾斜
 
测量表明，肖特基二极管结和封装引线框之间的热阻比使用传统焊料低约40%（图6）。热性能的显著提高意味着在给定的芯片面积下，可以提高最大静态电流额定值，从而实现更高的最大功耗。


图6：不同占空比下的瞬态热阻（ZthjC）与脉冲长度（tp）的关系。传统焊料的数据以绿色显示，扩散焊料的数据则以红色显示

热仿真结果
为了评估其提出的新封装结构的性能，英飞凌对4 mm²和14 mm²的理论SiC管芯进行了仿真，比较了DCB-in-package和DCB-on-package方法在施加电流脉冲时的热性能。图7和图8中的时间分辨仿真表明，封装上的DCB将提供比封装中的DCB更好的热性能，使其能够承受更高幅度的电流（最大和/或脉冲）。


图7：14 mm² SiC管芯的封装内DCB与封装上DCB的模拟热性能


图8：4mm²SiC管芯的封装内DCB与封装上DCB的模拟热性能
结论
最大化功率密度是电动汽车（EV）车载充电器设计者的一个关键目标，组件封装和冷却机制对于实现这一目标越来越重要。英飞凌通过提供统一高度、TSC DDPAK和QDPAK封装的器件来满足OBC设计者的需求，包括其CoolSiC G6肖特基二极管、CoolSiC MOSFET 750 V和1200 V以及650 V CoolMOS超结MOSFET系列。
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